CZ27325U1 - Anion-selective membrane of block polymer reinforced by glass fibers with polymer coating - Google Patents
Anion-selective membrane of block polymer reinforced by glass fibers with polymer coating Download PDFInfo
- Publication number
- CZ27325U1 CZ27325U1 CZ2014-29826U CZ201429826U CZ27325U1 CZ 27325 U1 CZ27325 U1 CZ 27325U1 CZ 201429826 U CZ201429826 U CZ 201429826U CZ 27325 U1 CZ27325 U1 CZ 27325U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- cas
- membrane
- block
- glass fibers
- polystyrene
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Description
Anionselektivní membrána z blokového kopolymerů armovaná skleněnými vlákny s polymerním povlakemAnion-selective block copolymer membrane reinforced with glass fiber with polymer coating
Oblast technikyTechnical field
Technické řešení se týká membrány pro alkalickou membránovou elektrolýzu pro produkci vodíku. Elektrolýzu je možné provádět za vyšších tlaků z důvodu přímé komprese generovaného vodíku.The invention relates to a membrane for alkaline membrane electrolysis for the production of hydrogen. Electrolysis can be performed at higher pressures because of the direct compression of the generated hydrogen.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Elektrolýza vody představuje proces, při kterém dochází k přímé přeměně vody na vodík za pomoci elektrické energie. I když elektrolýza vody není příliš rozšířený proces, disponuje řadou výhod: celý proces probíhá v jediném kroku, vyrobený vodík má velmi vysokou čistotu, proces produkuje nulové emise, zařízení může být velkoobjemové i vysoce kompaktní a nedělá mu problém nárazový provoz, kdy výchozí surovinou je zde již zmíněná voda, které jsou na Zemi ohromné zásoby, která se při procesu nespotřebovává, nýbrž dochází k její dočasné přeměně na vodík. Nevýhodou elektrolýzy vody je cena vyrobeného vodíku, která je ve srovnání s procesy založených na zpracování fosilních paliv, vyšší. I z tohoto důvodu jsou v oblasti elektrolýzy vody vyvíjeny stále větší snahy za účelem snížení energetické náročnosti tohoto procesu.Water electrolysis is a process in which water is converted directly to hydrogen by electrical energy. Although water electrolysis is not a widespread process, it has a number of advantages: the whole process takes place in a single step, the hydrogen produced is very high in purity, the process produces zero emissions, the equipment can be both large-volume and highly compact the water mentioned here, which is a huge supply on Earth, which is not consumed in the process, but is temporarily converted to hydrogen. The disadvantage of water electrolysis is the cost of the hydrogen produced, which is higher compared to fossil fuel processing processes. For this reason too, efforts are being made in the field of water electrolysis to reduce the energy consumption of this process.
V současnosti rozdělujeme elektrolýzu vody na alkalickou, kyselou (tzv. PEM) a vysokoteplotní, která je zatím spíše ve fázi výzkumu a testování. Naproti tomu elektrolýza alkalická je nejstarší a jedinou významně průmyslově rozšířenou technologií elektrolýzy vody. To je dáno její jednoduchou, dobře zvládnutou a především levnou konstrukcí, což vychází z použití velmi dostupných materiálů, které jsou v daném (alkalickém) prostředí stabilní. Elektrody jsou zhotoveny z niklu nebo z poniklované oceli (katoda může být ocelová) a diafragma je převážně azbestová. Alkalické elektrolyzéry pracují s horkým (80 °C) hydroxidem (25 až 30 % hm.). Oproti elektrolýze kyselé však trpí alkalická elektrolýza několika nedostatky. Těmi hlavními jsou vyšší provozní náklady (vyšší pracovní napětí při stejných proudových hustotách) a větší rozměry, což je mimo jiné dáno také použitou azbestovou diafragmou, která nemá v tomto ohledu zcela optimální parametry, je poměrně tlustá, iontově nevodivá, nedovoluje využití zero-gap uspořádání elektrod a v neposlední řadě je karcinogenní.At present we divide water electrolysis into alkaline, acidic (so-called PEM) and high-temperature, which is still rather in the research and testing phase. Alkaline electrolysis, on the other hand, is the oldest and the only industry-wide technology for water electrolysis. This is due to its simple, well mastered and above all cheap construction, which is based on the use of highly available materials that are stable in the (alkaline) environment. The electrodes are made of nickel or nickel-plated steel (the cathode may be steel) and the diaphragm is predominantly asbestos. Alkaline electrolysers operate with hot (80 ° C) hydroxide (25 to 30 wt%). Compared to acid electrolysis, however, alkaline electrolysis suffers from several drawbacks. The main ones are higher operating costs (higher operating voltage at the same current densities) and larger dimensions, which is also due to the asbestos diaphragm used, which does not have optimal parameters in this respect, is relatively thick, non-ionic, does not allow zero-gap electrode arrangement and last but not least it is carcinogenic.
Kyselá elektrolýza vody naproti tomu disponuje kompaktnějšími rozměry a především příznivějšími provozními vlastnostmi (nižší provozní napětí). Problémem kyselé elektrolýzy je nutnost použít drahé platinové katalyzátory, neboť ty jediné jsou v daném prostředí stabilní a zároveň dostatečně katalyticky aktivní. Tato skutečnost vylučuje využití kyselé elektrolýzy vody ve velkoobjemových průmyslových výrobách a směřuje jí tak spíše do mobilních aplikací. Jako elektrolyt je u PEM elektrolýzy použita perfluorovaná katexová membrána (převážně typu Nafion®) se sulfonovými funkčními skupinami. Velkou předností této membrány je její vysoká teplotní stabilita při velmi malé tloušťce. Aby však byla membrána aktivní, je nutná její hydratace a její následné nabobtnání, což je zaručeno cirkulací demineralizované vody uvnitř cely. Pracovní teplota PEM elektrolyzérů je 80 až 90 °C.Acid water electrolysis, on the other hand, has more compact dimensions and, above all, more favorable operating characteristics (lower operating voltage). The problem of acid electrolysis is the need to use expensive platinum catalysts since the only ones are stable in the environment and at the same time sufficiently catalytically active. This precludes the use of acidic electrolysis of water in large-scale industrial production and is thus directed towards mobile applications. In PEM electrolysis, a perfluorinated cation exchange membrane (predominantly Nafion®) with sulfone functional groups is used as the electrolyte. A great advantage of this membrane is its high temperature stability at very low thickness. However, for the membrane to be active, its hydration and subsequent swelling are required, which is guaranteed by the circulation of demineralized water inside the cell. The operating temperature of the PEM electrolysers is 80 to 90 ° C.
Nemožnost zero-gap uspořádání elektrod a vyšší pracovní napětí při stejných proudových hustotách byly zapříčiněny absencí dostatečně stabilního a iontově vodivého ionomeru, ze kterého by bylo možné vyrobit anexovou membránu. V posledních letech však byl vyvinut ionomer, jenž umožňuje přípravu membrány s požadovanými vlastnostmi. Tento ionomer však postrádá vynikající mechanickou odolnost, jako je tomu v případě některých kationselektivních membrán, zvláště pak sulfonovaných perfluorovaných. V posledních letech je snaha o vedení celého procesu za zvýšeného tlaku z důvodu přímé komprese generovaných plynů, kdy dochází k úsporám energie, jenž by bylo nutné vynaložit na dodatečnou kompresi značného množství plynů.The impossibility of zero-gap electrode arrangement and higher working voltages at the same current densities was due to the absence of a sufficiently stable and ion-conducting ionomer from which an anion exchange membrane could be made. In recent years, however, an ionomer has been developed which allows the preparation of a membrane with the desired properties. However, this ionomer lacks excellent mechanical resistance, as is the case with some cationselective membranes, especially sulfonated perfluorinated membranes. In recent years, efforts have been made to conduct the process at elevated pressure due to the direct compression of the generated gases, saving energy that would have to be spent on additional compression of a significant amount of gases.
-1 CZ 27325 Ul-1 CZ 27325 Ul
Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution
Výše uvedené problémy s mechanickou stabilitou anionselektivní membrány se podařilo vyřešit jejich armováním teflonovými a skleněnými vlákny. V tomto případě jsou skleněná vlákna odpovědná za zvýšenou mechanickou odolnost vzniklé kompozitní membrány, bohužel tato skla v alkalickém prostředí silně korodují. Podstatou funkce anionselektivní membrány je transport aniontů v silně alkalickém prostředí, kdy kladný náboj je fixován na základním řetězci. Z tohoto důvodu nemůže být v kontaktu vlastní anionselektivní ionomer s armujícími skleněnými vlákny. Následně by totiž došlo k postupnému vymývání iontů z vlastního materiálu skla, což by mělo za následek postupné křehnutí skla, kdy po jisté době by došlo ke zhroucení jeho struktury a skleněná vlákna, by tak přestala plnit svojí funkci armatury. Skleněná vlákna, tak musí být chráněna před alkalickým prostředím látkou, která umožňuje dobrou adhezí jak skla, tak vlastního anionselektivního polymeru.The above-mentioned problems with mechanical stability of the anionelective membrane have been solved by reinforcing them with Teflon and glass fibers. In this case, the glass fibers are responsible for the increased mechanical resistance of the resulting composite membrane, but unfortunately these glasses corrode strongly in the alkaline environment. The function of the anionelective membrane is the transport of anions in strongly alkaline environment, where the positive charge is fixed on the backbone. For this reason, the actual anionselective ionomer cannot be in contact with the reinforcing glass fibers. This would result in a gradual elution of ions from the glass material itself, which would result in a gradual embrittlement of the glass, after which it would eventually collapse its structure and the glass fibers would cease to perform its function as a fitting. Thus, the glass fibers must be protected from the alkaline environment by a substance which allows good adhesion of both the glass and the anion-selective polymer itself.
Vlastní membrána je tak tvořená skleněnými vlákny CAS 65997-17-3, jenž jsou opatřeny povrchovou vrstvou tvořenou polytetrafluorethylenem CAS 9014-83-9 dále uváděný jako PTFE. Armující skelet tvořený skleněnými vlákny opatřenými vrstvou PTFE je umístěn ve středu membrány tvořené anionselektivním ionomerem. Anionselektivní ionomer je tvořen základním nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylen-ran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4, kdy styrenové jednotky jsou opatřeny tetramethylamoniem CAS 51-92-3.Thus, the membrane itself consists of fiberglass CAS 65997-17-3, which is provided with a coating consisting of polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, hereinafter referred to as PTFE. A reinforcing PTFE coated glass fiber skeleton is located at the center of the anion selective ionomer membrane. The anionselective ionomer consists of a polystyrene-block-poly (ethylene-ran-butylene) -block-polystyrene backbone CAS 66070-58-4 with a tetramethylammonium CAS 51-92-3 backbone.
Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation
Příklad 1Example 1
Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:The membrane for the electromagnetic membrane electrolysis according to this solution contains in wt%:
15,4 skleněných vláken CAS 65997-17-3,15,4 fiberglass CAS 65997-17-3,
4.6 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,4.6 polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, an anionic ionomer consisting of polystyrene-block-poly (ethylene-butylene) -block polystyrene CAS 66070-58-4 with tetramethylammonium functional groups CAS 51-92-3,
Σ 100,0.Σ 100.0.
Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,6 S.m'1, jenž při teplotě 50 °C vzroste na 7,4 S.m'1 a při teplotě 70 °C vzroste na 7,9 S.m1. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 550 kPa.The membrane exhibits at a temperature of 30 ° C transverse ionic conductivity of 5.6 S.M '1, which at 50 ° C rises to 7.4 S.M -1 and at 70 ° C rises to 7.9 Sm first The diaphragm allows operation with a pressure difference of 550 kPa.
Příklad 2Example 2
Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:The membrane for the electromagnetic membrane electrolysis according to this solution contains in wt%:
13,3 skleněných vláken CAS 65997-17-3,13,3 fiberglass CAS 65997-17-3,
7.7 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,7.7 polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, an anionic ionomer consisting of polystyrene-block-poly (ethylene-butylene) -block polystyrene CAS 66070-58-4 with functional groups consisting of tetramethylammonium CAS 51-92-3,
Σ 100,0.Σ 100.0.
Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,6 S.m'1, jenž při teplotě 50 °C vzroste na 7,3 S.m1 a při teplotě 70 °C vzroste na 7,9 S.m’1. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 360 kPa.The membrane exhibits at a temperature of 30 ° C transverse ionic conductivity of 5.6 S.M '1, which at 50 ° C rises to 7.3 Sm -1 and a temperature of 70 ° C increases to 7.9 S.M' first The diaphragm allows operation with a pressure difference of 360 kPa.
Příklad 3Example 3
Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:The membrane for the electromagnetic membrane electrolysis according to this solution contains in wt%:
-2CZ 27325 Ul-2EN 27325 Ul
9,2 skleněných vláken CAS 65997-17-3,9.2 Glass fiber CAS 65997-17-3
10,8 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,10,8 polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, an anionic ionomer consisting of polystyrene-block-poly (ethylene-butylene) -block polystyrene CAS 66070-58-4 with functional groups consisting of tetramethylammonium CAS 51-92-3,
Σ 100,0.Σ 100.0.
Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,2 S.m1, jenž při teplotě 50 °C vzroste na 7,3 S.m1 a při teplotě 70 °C vzroste na 7,5 S.m'1. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 240 kPa.The membrane exhibits at a temperature of 30 ° C transverse ionic conductivity of 5.2 Sm 1 which at 50 ° C rises to 7.3 Sm -1 and a temperature of 70 ° C increases to 7.5 S.M 'first The diaphragm allows operation with a pressure difference of 240 kPa.
Příklad 4Example 4
Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:The membrane for the electromagnetic membrane electrolysis according to this solution contains in wt%:
8,7 skleněných vláken CAS 65997-17-3,8,7 fiberglass CAS 65997-17-3,
11,3 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,11,3 polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, an anionic ionomer consisting of polystyrene-block-poly (ethylene-butylene) -block polystyrene CAS 66070-58-4 with tetramethylammonium functional groups CAS 51-92-3,
Σ 100,0.Σ 100.0.
Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 5,1 S.m'1, jenž při teplotě 40 °C vzroste na 7,1 S.m'1 a při teplotě 70 °C vzroste na 7,2 S.m’1. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 120 kPa.The membrane exhibits at a temperature of 30 ° C transverse ionic conductivity of 5.1 S.M '1, which at 40 ° C rises to 7.1 S.M -1 and at 70 ° C rises to 7.2 S.M' first The diaphragm allows operation with a pressure difference of 120 kPa.
Příklad 5Example 5
Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:The membrane for the electromagnetic membrane electrolysis according to this solution contains in wt%:
19,25 skleněných vláken CAS 65997-17-3,19,25 fiberglass CAS 65997-17-3,
5,75 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,5.75 polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, an anionic ionomer consisting of polystyrene-block-poly (ethylene-butylene) -block polystyrene CAS 66070-58-4 with tetramethylammonium functional groups CAS 51-92-3,
Σ 100,0.Σ 100.0.
Membrána vykazuje při teplotě 40 °C příčnou iontovou vodivost 4,1 S.m'1, jenž při teplotě 60 °C vzroste na 4,9 S.m'1 a při teplotě 70 °C vzroste na 5,2 S.m'1. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 570 kPa.The membrane exhibits at a temperature of 40 ° C transverse ionic conductivity of 4.1 S.M '1, which at 60 ° C rises to 4.9 S.M -1 and at 70 ° C rises to 5.2 S.M' first The diaphragm allows operation with a pressure difference of 570 kPa.
Příklad 6Example 6
Membrána pro membránovou alakalickou elektrolýzu podle tohoto řešení obsahuje v % hm.:The membrane for the electromagnetic membrane electrolysis according to this solution contains in wt%:
23,1 skleněných vláken CAS 65997-17-3,23,1 fiberglass CAS 65997-17-3,
6,9 polytetrafluoroethylenu CAS 9014-83-9, anionselektivního ionomeru tvořeného nosným řetězcem z polystyren-blok-poly(ethylenran-butylen)-block-polystyrenu CAS 66070-58-4 s funkčními skupinami tvořenými tetramethylamoniem CAS 51-92-3,6,9 polytetrafluoroethylene CAS 9014-83-9, an anionic ionomer consisting of polystyrene-block-poly (ethylene-butylene) -block polystyrene CAS 66070-58-4 with tetramethylammonium functional groups CAS 51-92-3,
Σ 100,0.Σ 100.0.
Membrána vykazuje při teplotě 30 °C příčnou iontovou vodivost 3,2 S.m'1, jenž při teplotě 40 °C vzroste na 3,7 S.m'1 a při teplotě 70 °C vzroste na 4,1 S.m'1. Membrána umožňuje provoz s tlakovým rozdílem 610 kPa.The membrane exhibits a transverse ion conductivity at 30 ° C of 3.2 S.m -1 , which at 40 ° C rises to 3.7 S.m -1, and at 70 ° C it rises to 4.1 S.m -1 . The diaphragm allows operation with a pressure difference of 610 kPa.
-3CZ 27325 Ul-3EN 27325 Ul
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Membrána s anionselektivním polymerem tvořeným základním řetězcem z polystyren-blokpoly(ethylen-ran-butylen)-block-polystyrenu, jenž je funkcionalizován tetramethylamoniem a armován skleněnými vlákny s povlakem z polytetrafluoroethylenu, je vhodná pro alkalické mem5 bránové elektrolyzéry.The membrane with an anionic selective polystyrene-block poly (ethylene-ran-butylene) -block-polystyrene backbone polymer, which is functionalized with tetramethylammonium and reinforced with glass fibers coated with polytetrafluoroethylene, is suitable for alkaline membrane electrolyzer.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2014-29826U CZ27325U1 (en) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Anion-selective membrane of block polymer reinforced by glass fibers with polymer coating |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2014-29826U CZ27325U1 (en) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Anion-selective membrane of block polymer reinforced by glass fibers with polymer coating |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ27325U1 true CZ27325U1 (en) | 2014-09-15 |
Family
ID=51618028
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2014-29826U CZ27325U1 (en) | 2014-07-29 | 2014-07-29 | Anion-selective membrane of block polymer reinforced by glass fibers with polymer coating |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ27325U1 (en) |
-
2014
- 2014-07-29 CZ CZ2014-29826U patent/CZ27325U1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Paidar et al. | Membrane electrolysis—History, current status and perspective | |
JP6568325B2 (en) | Water electrolyzer | |
Arges et al. | The chalkboard: Anion exchange membrane fuel cells | |
EP3209816B1 (en) | Electrolyzer and membranes | |
Albert et al. | Radiation-grafted polymer electrolyte membranes for water electrolysis cells: evaluation of key membrane properties | |
Yeo et al. | Perfluorosulphonic acid (Nafion) membrane as a separator for an advanced alkaline water electrolyser | |
Guillet et al. | Alkaline water electrolysis | |
Wan et al. | H2SO4-doped polybenzimidazole membranes for hydrogen production with acid-alkaline amphoteric water electrolysis | |
JP7475072B2 (en) | Equipment for the production of hydrogen | |
JP6585859B2 (en) | Ion conductive membrane | |
Santos et al. | Effect of membrane separators on the performance of direct borohydride fuel cells | |
Tang et al. | Anion conductivity of cation exchange membranes in aqueous supporting electrolytes | |
AU2020342253B2 (en) | Cross-flow water electrolysis | |
CN102945968A (en) | Composite polyepoxy chloropropane alkaline polymer membrane electrode and preparation method thereof | |
Seetharaman et al. | Polyvinyl alcohol based membrane as separator for alkaline water electrolyzer | |
CZ27325U1 (en) | Anion-selective membrane of block polymer reinforced by glass fibers with polymer coating | |
Hammi et al. | Production of green hydrogen employing proton exchange membrane water electrolyzer: Characterization of electrolyte membrane. A critical review | |
Lewis et al. | Membrane/Electrolyzer development in the Cu-Cl thermochemical cycle | |
EP3054034A1 (en) | Amine-containing electrolyte for electrochemical devices | |
Zainul et al. | Investigative study of cost-effective ZrO2 nanoparticles/acrylic based diaphragm for alkaline electrolyzers | |
Hibbs | Hydrocarbon-based membranes for alkaline membrane fuel cells. | |
Hibbs et al. | Development of Highly Stable Anion-Exchange Membranes for alkaline Electrochemical Cells. | |
Yuzer et al. | Ion-exchange membranes in electrolysis process | |
Santiago et al. | Smart electrolytes: materials, durability, and degradation issues | |
Bessarabov | Other Polymer Membrane Electrolysis Processes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20140915 |
|
MK1K | Utility model expired |
Effective date: 20180729 |